PAGEPAGE6編號：國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目申報書項目名稱：FePt納米粒子單層膜垂直磁記錄應(yīng)用中3個關(guān)鍵問題的一種統(tǒng)一解決方案申請者：方明亮所在院系：物理與材料科學(xué)學(xué)院專業(yè)年級：2007級材料物理專業(yè)指導(dǎo)教師：吳明在起止時間：2010/1-2010/12聯(lián)系電話子信箱：857937704@申報時間：2009-10-15安徽大學(xué)教務(wù)處制表填表須知一、《安徽大學(xué)國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目申報書》要按順序逐項填寫，內(nèi)容要實事求是，表達(dá)要明確、嚴(yán)謹(jǐn)。空缺項要填“無”。要求一律用A4紙打印，于左側(cè)裝訂成冊。二、申請參加安徽大學(xué)國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目團(tuán)隊人數(shù)不得超過3人（1人為立項負(fù)責(zé)人，參與合作研究者1--2人為宜）。三、《安徽大學(xué)國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目申報書》由申報學(xué)生所在學(xué)院初審，簽署意見后，一式三份（均為原件），報送教務(wù)處實踐教學(xué)中心。二、項目研究內(nèi)容（目前研究的現(xiàn)狀、方法、觀點、難點、特點和提出的創(chuàng)新點等）然而目前，無論是采用物理沉積法還是膠體粒子沉積組裝法制備的FePt薄膜，用于超高密度垂直磁記錄都存在如下困難：(1)L10-FePt相是一種在c軸方向Fe和Pt原子層交互排列的有序結(jié)構(gòu)，其磁各向異性來源于磁晶各向異性，c軸為磁化易軸；而一般采用化學(xué)還原或濺射成膜方法只能得到無序fcc-FePt相，常需要在550oC以上高溫退火得到具有高磁各向異性的L10-FePt相[1],參見圖1。而高的成膜(或退火)溫度會引起薄膜中晶粒的長大或團(tuán)聚，因此需要降低FePt有序化轉(zhuǎn)變溫度。圖1，F(xiàn)ePt合金的無序fcc結(jié)構(gòu)和有序的L10兩種典型晶格結(jié)構(gòu)(2)FePt薄膜中存在很強的晶粒間的磁相互作用。晶粒間磁耦合作用會增加相鄰記錄磁區(qū)間的過渡區(qū)寬度，導(dǎo)致讀出噪聲，降低讀出信號的信噪比。因此需要減小FePt晶粒間磁耦合作用。(3)為適應(yīng)垂直磁記錄的需要，必須實現(xiàn)FePt薄膜的垂直（001）取向，而且應(yīng)盡量減小各個晶粒取向的分布范圍。為了解決上述這些問題，科學(xué)家們進(jìn)行了大量的研究。(a)針對FePt有序化溫度的降低和粒子長大團(tuán)聚現(xiàn)象，人們發(fā)展了很多手段，如摻雜B,Ag,Cu等雜質(zhì)原子，以增加缺陷或替換Fe/Pt原子來促進(jìn)有序化過程[6-9]；用外場輔助法(包括離子輔助、激光輔助、高磁場輔助等)來促進(jìn)有序化[10-12]；調(diào)控Fe/Pt的原子比[13]；退火氣體環(huán)境的調(diào)控等[14-15]。在處理低溫有序化的過程中，人們多采用物質(zhì)包覆顆粒的辦法來阻止晶粒的長大和團(tuán)聚,這些包覆物質(zhì)可以與FePt粒子形成所謂的核/殼結(jié)構(gòu)[16-20]，也可以直接填充在粒子膜中的粒子之間[21]。盡管這些手段可以部分實現(xiàn)有序化，但卻引起了新的問題，包括雜質(zhì)的引入、室溫矯頑力的降低以及降低了晶粒尺寸均一性，也破壞了薄膜粒子排布的有序性，等等。(b)為了降低介質(zhì)噪聲，人們合成了多種結(jié)構(gòu)的介質(zhì)膜，如顆粒膜(granular)[22]、島狀生長膜(island-growth)[23]、多層膜(multilayer)[24-25]以及粒子膜內(nèi)添加非磁物質(zhì)[21]等，欲通過各種方式來降低晶粒間的磁交換耦合作用。(c)針對垂直記錄的需要，人們采用MgO單晶基片[26-27]或者濺射合適的底層（如MgO、CrRu）來誘導(dǎo)FePt沿（001）取向生長。昂貴的MgO單晶基片的使用必然增加FePt粒子在磁存儲應(yīng)用商業(yè)化上的成本。國內(nèi)對FePt超高密度磁記錄介質(zhì)的研究起步較晚。中國科學(xué)院物理研究所磁學(xué)國家重點實驗室王亦忠教授研究了FePt薄膜的硬磁性能及其矯頑力的機制[28]。蘭州大學(xué)楊正教授課題組對FePt/Al2O3顆粒膜做了初步的研究[29]。臺灣清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、北京科技大學(xué)、湖北大學(xué)等在FePt的低溫有序化方面進(jìn)行了研究[25,30-32]。綜合國內(nèi)外的研究報道,盡管對于解決以上的單個問題取得了較大的進(jìn)步，但是如何統(tǒng)一解決以上所有的問題，目前尚沒有很好的辦法。針對以上三個問題，有必要發(fā)展一種能夠同時實現(xiàn)FePt薄膜的有序化轉(zhuǎn)變溫度低、粒子之間無磁相互作用且具有垂直取向性的方法。在本項目中，我們創(chuàng)造性地提出一種在磁場誘導(dǎo)下，用PVP(聚乙烯吡咯烷酮，Polyvinylpyrrolidone)分子輔助組裝FePt納米粒子，合成具有垂直取向的單層粒子薄膜的方法。在這種新結(jié)構(gòu)中，聚合物(PVP)分子首先包覆在FePt粒子的表面。在溶劑緩慢蒸發(fā)或者旋轉(zhuǎn)涂膜的過程中，施加一垂直于襯底表面的外磁場，磁化粒子并使得粒子易磁化軸(001)晶向與磁力線方向一致，實現(xiàn)粒子的垂直取向控制。同時，高濃度的PVP分子互相交織在一起，進(jìn)而老化、固化將FePt顆粒包覆。當(dāng)溶劑完全蒸發(fā)后，在外加磁場作用下，對其進(jìn)行后續(xù)退火處理。由于外磁場的存在，該鐵磁體系總自由能將降低M*H，降低了的自由能使得粒子從無序fcc相向有序fct相轉(zhuǎn)化過程的晶核數(shù)目增多，成為轉(zhuǎn)化的動力，降低有序化轉(zhuǎn)變溫度[10]。在磁場原位存在下，經(jīng)退火之后聚合物發(fā)生碳化，但仍然具有空間位阻作用，粒子之間不會發(fā)生長大和團(tuán)聚。這種外加磁場和PVP分子輔助的方法將獲得有序化轉(zhuǎn)變溫度降低，無磁相互作用且具有垂直取向性的單層粒子膜。由于粒子之間碳化了的PVP分子相互交聯(lián)在一起，在外加磁場去除后，這種粒子膜仍能穩(wěn)定存在，且有一定的機械穩(wěn)定性。我們認(rèn)為，該項目的實施，將為垂直磁記錄技術(shù)的發(fā)展提供新知識，為高密度的垂直磁記錄器件提供關(guān)鍵材料，同時，對磁有序體的集體磁性質(zhì)的研究以及下一代海量存儲技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。[6]YanQY,KimT,PurkayasthaA,GanesanPG,ShimaM,RamanathG,EnhancedchemicalorderingandcoercivityinFePtalloynanoparticlesbySb-doping,Adv.Mater.,2005,17,2233-2237.[7]LimB,ChenJ,YinJ,ReductionofexchangecouplingandenhancementofcoercivityOfL1(0)FePt(001)filmsbyCutoplayerdiffusion,ThinSolidFilms,2006,505,81-84.[8]KangS,HarrellJ,NiklesD,ReductionofthefcctoL1(0)orderingtemperatureforself-assembledFePtnanoparticlescontainingAg,NanoLett,2002,2,1033-136.[9]LeeYM,LeeBS,LeeCG,KooBH,ShimadaY,JMagnMagnMater,2007,310,E918-E920.[10]WangHY,MaXK,HeYJ,MitaniS,MotokawaM,EnhancementinorderingofFePtfilmsbymagneticfieldannealing,Appl.Phys.Lett.,2004，85,2304-2306.[11]SaitaS，MaenosonoS,ChemicalorderingofFePtnanoparticlesbypulsedlaserannealing,JournalofPhysics:CondensedMatter2004,16,6385-6394.[12]LaiCH，YangCH，ChiangCC，Ion-irradiation-induceddirectorderingofL1(0)FePtphase,ApplPhysLett,2003,83,4550-4552.[13]VarandaLC,JafelicciM,Self-assembledFePtnanocrystalswithlargecoercivity:ReductionofthefcctoL1(0)orderingtemperature,J.Am.Chem.Soc.2006,128,11062-11066.

[14]NakayaM,KaneharaM,YamauchiM，H.Kitagawa,T.Teranishi,Hydrogen-InducedCrystalStructuralTransformationofFePtNanoparticlesatLowTemperature,J.Phys.Chem.C,2007,111,7231-7234.[15]SortJ,SurińachS,DolorsBaróM,etal,DirectsynthesisofisolatedL1(0)FePtnanoparticlesinarobustTiO2matrixviaacombinedsol-gel/pyrolysisroute,Adv.Mater.2006,18,466-469.[16]YuCH,CaiuloN,ChesterCH,TamK,TsangSC,Synthesisandfabricationofathinfilmcontainingsilica-encapsulatedface-centeredtetragonalFePtnanoparticles,Adv.Mater.2006,18,2312-2316.[17]FiguerolaA,FioreA,CoratoRD,etal,One-potsynthesisandcharacterizationofsize-controlledbimagneticFePt-ironoxideheterodimernanocrystals,J.Am.Chem.Soc.2008,130,1477-1487.[18]KangSS,MiaoGX,ShiS,JiaZ,NiklesDE,HarrellJW,Enhancedmagneticpropertiesofself-assembledFePtnanoparticleswithMnOshell,J.Am.Chem.Soc.2006,28,1042-1043.[19]CaiuloN,YuCH,YuKMK,LoCCH,OduroW,ThiebautB,BishopP,TsangSC,Carbon-decoratedFePtnanoparticles,Adv.Funct.Mater.2007,17,1392-1396.[20]EthirajanA,WiedwaldU,BoyenH,etal,Amicellarapproachtomagneticultrahigh-densitydata-storagemedia:Extendingthelimitsofcurrentcolloidalmethods,Adv.Mater.2007,19,406-410.[21]WangHB,ZhouMJ,YangFJ,WangJ,JiangY,WangY,WangH,LiQ,MonolayerAssemblyandFixationofFePtNanoparticles:MicrostructureandMagneticProperties,Chem.Mater,2009,21,404-409.[22]KangK，ZhangZG,PapusoiC，SuzukiT,CompositenanogranularfilmsofFePt-MgOwith(001)orientationontoglasssubstrates,Appl.Phys.Lett.2004，84(3),404-406.[23]MukaiR，UzumakiT，TanakaA，MonolayerofphysicallyseparatedFePtislandswithatetragonalL1(0)structureproducedbythermallycreatedmasstransport,IEEETransactionsonMagnetics，2003，39(4),1925-1929Partl.[24]FengC,ZhanQ,LiBH,TengJ,LiMH,JiangY,YuaGH.MagneticpropertiesandmicrostructureofFePt/Aumultilayerswithhighperpendicularmagnetocrystallineanisotropy,Appl.Phys.Lett,2008,93,269901-269903.[25]YangFJ,WangH,WangBY,GuHS,

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JiangY,ThicknessdependenceofmicrostructureandmagneticpropertiesinFePt/B4Cmultilayerthinfilms,AppliedPhysicsA:MaterialsScience&Processing,2009,94,981-985.[26]NakagawaS,KamikiT,J.Highly(001)orientedFePtorderedalloythinfilmsfabricatedfromPt(100)/Fe(100)structureonglassdiskswithoutseedlayers,J.Magn.Magn.Mater,2005,287,204-208.[27]TakahashiYK,HonoK,InterfacialdisorderintheL1(0)FePtparticlescappedwithamorphousAl2O[28]WangYZ,ZhangMC,QiaoY,WangJ,WangYJ,ShenBG,HuBP,StructuresandmagneticpropertiesofisotropicnanostructuredFe-Ptthinfilms,ActaPhysicaSinica,2000,49,1600-1605.[29]WeiFL,YangZ,FabricationofFePtfilmsformagneticrecordingmedia,IEICETRANSACTIONSONELECTRONICS,2007,E[30]WuYC,WangLW,ChiangCC,YangCH,LaiCH,ControllingStressandDiffusionfortheLow-Temperature-OrderingofL1(0)OrderedFePtFilms,JOM,2009,61,84-88.[31]FengC,ZhanQ,LiBH,TengJ,LiMH,JiangY,YuaGH,MagneticpropertiesandmicrostructureofFePt/Aumultilayerswithhighperpendicularmagnetocrystallineanisotropy,Appl.Phys.Lett.93(2008)

152513-152515.

[32]ZhaCL,HeSH,MaB,ZhangZZ,GanFX,JinQY,DependenceofOrderingKineticsofFePtThinFilmsonDifferentSubstrates,IEEETRANSACTIONSONMAGNETICS,2008,

44,3539-3542.三、項目進(jìn)度安排（查閱資料、選題、自主設(shè)計項目研究方案、開題報告、實驗研究、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、處理與分析、研制開發(fā)、填寫結(jié)題表、撰寫研究論文和總結(jié)報告、參加結(jié)題答辯和成果推廣等）2010年1月－2010年3月調(diào)研文獻(xiàn)，設(shè)計實驗方案，完成開題報告，制備出尺寸、形貌單分散的FePt納米粒子。2010年4月－2010年6月探索在磁場和PVP分子輔助下制備FePt納米粒子有序單層膜的最佳工藝。對制備的FePt納米粒子單層膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)、形貌、磁性的測量和表征。2010年7月-2010年9月研究FePt納米粒子單層膜的有序化轉(zhuǎn)變溫度、垂直取向有序度、以及粒子之間相互作用程度和外加磁場強度、施加方向、蒸發(fā)速度、旋轉(zhuǎn)速度之間的關(guān)系；總結(jié)FePt粒子膜的磁性質(zhì)與外加磁場強度，退火溫度之間的規(guī)律。對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，完成1-2篇學(xué)術(shù)論文。2010年10月-2010年12月撰寫總結(jié)和研究報告。預(yù)期研究成果、考核指標(biāo)及提供成果的形式：在國外重要學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文1-2篇。掌握獲得有序化轉(zhuǎn)變溫度低、無磁相互作用且具有垂直取向性的FePt納米粒子單層膜的制備方法。四、擬利用資源（實驗室、研究所、實驗教學(xué)示范中心、創(chuàng)新實踐基地、儀器設(shè)備、資料等）申請者所依托的安徽大學(xué)磁性材料安徽省工程技術(shù)研究中心具有樣品制備設(shè)備和分析測試所需要的相關(guān)儀器設(shè)備，包括振動樣品磁強計(VSM)、FE-SEM、HRTEM、AFM、多功能X射線衍射儀、紫外-可見-紅外光譜儀（含有偏振附件）、傅立葉變換紅外光譜儀（FTIR）和激光Raman光譜儀等，這些設(shè)備均可供本項目優(yōu)惠使用。同時，合肥同步輻射實驗室各實驗